基于ETABS軟件隔震結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析計(jì)算

韓學(xué)川，王興國，葛楠，屈華靜

(河北聯(lián)合大學(xué)河北省地震工程研究中心，河北唐山 063009)

0 引言

基礎(chǔ)隔震技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用［1-15］，屬于被動(dòng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)，通過在上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間設(shè)置隔震層來延長結(jié)構(gòu)的自振周期，遠(yuǎn)離地震的卓越周期，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。然而，目前基礎(chǔ)隔震技術(shù)主要應(yīng)用在中低層建筑，這主要是由于中低層建筑自振周期較短，隔震后周期增加明顯，隔震效果良好，并且結(jié)構(gòu)在地震作用下傾覆力矩比較小。近年來，針對(duì)高層建筑，國內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了大量隔振技術(shù)，例如，普林司通和竹中工務(wù)店［3］共同開發(fā)了適用于高層建筑的隔震橡膠支座，美國加州大學(xué)的Wen－Chyr Chai［12］提出了巨型框架－子結(jié)構(gòu)隔震結(jié)構(gòu)方法(Mega－Sub Control Method)，華中科技大學(xué)熊世樹［5，6］提出了一種具有三向適宜剛度和阻尼性能的三維隔震支座——鉛芯碟簧橡膠支座。

本文利用ETABS有限元分析軟件，建立了一個(gè)高層結(jié)構(gòu)設(shè)置基礎(chǔ)隔震裝置的地震動(dòng)力反應(yīng)分析計(jì)算模型，該結(jié)構(gòu)為12層框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，在基礎(chǔ)頂面設(shè)置非線性恢復(fù)力特性的FPS(摩擦擺隔震裝置)隔震支座。模型計(jì)算結(jié)果與未設(shè)置隔震裝置的框架－剪力墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，研究該結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特性，為高層建筑隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提參考。

1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型建立

結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)參數(shù)如下:抗震設(shè)防烈度為8度(設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g)，二類場地(特征周期0.40s);柱網(wǎng)為6000 mm×6600 mm，首層層高為4500 mm，其余各層為4000 mm;各部位強(qiáng)度等級(jí)均為C30，箍筋采用HPB235級(jí)鋼筋，縱筋采用HRB335級(jí)鋼筋;鋼筋混凝土方柱的截面尺寸為500 mm×500 mm;框架邊梁的截面尺寸300 mm×500 mm，內(nèi)部梁的截面尺寸250 mm×500 mm;各層樓板厚均為200 mm;剪力墻厚度為200 mm，呈L型對(duì)稱布置;樓面活荷載為2.0 kN/m2、邊梁荷載3.0 kN/m。

建立設(shè)置隔震裝置(摩擦擺隔震支座)框架－剪力墻結(jié)構(gòu)整體模型，現(xiàn)采用有限元分析軟件ETABS，對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新建模，采用EL Centro(NS)地震波，對(duì)上述結(jié)果加以對(duì)比。摩擦擺隔震支座特性由圖3給出的對(duì)話框定義。

結(jié)構(gòu)平面圖與三維有限元模型分別如圖1及圖2所示:

建立設(shè)置隔震裝置(摩擦擺隔震支座)框架－剪力墻結(jié)構(gòu)整體模型，現(xiàn)采用有限元分析軟件ETABS，對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新建模，采用EL Centro(NS)地震波，對(duì)上述結(jié)果加以對(duì)比。摩擦擺隔震支座特性由圖3給出的對(duì)話框定義。

采用時(shí)程分析法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析:在Y方向輸入EL Centro(NS)地震波，最大加速度400cm/s2，時(shí)間步長為 Δt=0.010s，總持時(shí) 40s。

2 地震動(dòng)力反應(yīng)計(jì)算與分析

2.1 樓層位移與層間位移

采用ETABS軟件，對(duì)12層框架－剪力墻結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力反應(yīng)值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果列于表1，圖4至6分別給出了有無FPS隔震裝置下，結(jié)構(gòu)最大樓層位移、最大層間位移和最大層間位移角隨樓層變化的規(guī)律。

表1 地震動(dòng)力反應(yīng)最大值

續(xù)表

由圖4可以看出，設(shè)置隔震裝置的框剪結(jié)構(gòu)比非隔震結(jié)構(gòu)的最大樓層位移有顯著增加，圖5和圖6是層間位移和層間角位移曲線，其彎剪型分布規(guī)律比較明顯，結(jié)構(gòu)的最大層間位移出現(xiàn)在樓層的中上部。對(duì)于結(jié)構(gòu)的相對(duì)層間位移，設(shè)置隔震裝置的框剪結(jié)構(gòu)明顯比非隔震結(jié)構(gòu)有顯著減小。樓層位移是絕對(duì)位移，層間位移是相對(duì)位移，與結(jié)構(gòu)內(nèi)力直接相關(guān)，減小了結(jié)構(gòu)內(nèi)力，起到了明顯的隔震作用。

2.2 樓層內(nèi)力

樓層地震力最大值計(jì)算結(jié)果列于表2，圖7和圖8給出了結(jié)構(gòu)最大樓層剪力和最大樓層彎矩隨樓層的變化曲線。

表2 樓層地震力最大值

由圖7與圖8可以看出，設(shè)置隔震結(jié)構(gòu)以后，結(jié)構(gòu)頂部內(nèi)力有較大的降低，對(duì)消除高層建筑的“鞭梢效應(yīng)”有明顯作用。

2.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力

取圖1中軸線①為框架1，軸線②為框架2。

(1)框架1的內(nèi)力包絡(luò)值

結(jié)構(gòu)10層柱A、B、C和D的剪力和彎矩計(jì)算結(jié)果列于表3，圖9和圖10給出了第10層框架柱剪力和彎矩。

表3 框架1柱內(nèi)力包絡(luò)值

(2)框架2內(nèi)力包絡(luò)值

結(jié)構(gòu)10層柱A、B、C和D的剪力和彎矩計(jì)算結(jié)果列于表4，圖11和圖12給出了第10層柱剪力和彎矩。

表4 框架2柱內(nèi)力包絡(luò)值

由圖9至圖12可以看出，對(duì)外框架1列柱與2列柱，內(nèi)力分布曲線均為V型，由此可知，角柱承擔(dān)的地震作用較大，中柱承擔(dān)的地震作用較小。當(dāng)設(shè)置隔震系統(tǒng)之后，結(jié)構(gòu)柱剪力和彎矩均降低了31%以上，其中，剪力降低的最顯著，起到了很好的隔震效果。

(3)框架2中剪力墻內(nèi)力包絡(luò)值

結(jié)構(gòu)10層剪力墻W1、W4的剪力和彎矩計(jì)算結(jié)果列于表5。

表5 剪力墻內(nèi)力包絡(luò)值

由表5中可以看出，與未加隔震裝置相比，有隔震裝置后W4和W1剪力墻的剪力和彎矩均降低了33.3%以上，這說明剪力墻的內(nèi)力大幅減少，隔震裝置對(duì)框剪結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)有明顯的改善作用。

3 結(jié)論

(1)框剪結(jié)構(gòu)設(shè)置隔震系統(tǒng)之后，結(jié)構(gòu)的樓層位移增加，但是沿高度分布趨于均勻，使結(jié)構(gòu)的層間位移與地震反應(yīng)內(nèi)力明顯減小;

(2)對(duì)于以彎曲變形為主的高層建筑，隔震系統(tǒng)對(duì)頂部的減振效果明顯，有利于避免結(jié)構(gòu)“鞭梢效應(yīng)”，而底部的減振效果小于頂部;

(3)配置隔震裝置后，結(jié)構(gòu)頂部柱剪力分配趨于均勻，剪力墻的內(nèi)力大幅減少，對(duì)框剪結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)有明顯的改善作用。

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